CDU 629.7.016
JACKSON PAUL MATSUURA
TURMA DE 1995
APLICAÇÃO DOS SIMULADORES DE VÔO NO
DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE
AERONAVES E PERIFÉRICOS
TRABALHO DE GRADUAÇÃO
Orientação do Prof. Takashi Yoneyama, ITA/IEEE
DIVISÃO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
SÃO JOSÉ DOS CAMPOS
CENTRO TÉCNICO AEROESPACIAL
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA
1995
1
APLICAÇÃO DOS SIMULADORES DE VÔO NO
DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE AERONAVES E
PERIFÉRICOS
Esta publicação foi aceita como Relatório Final de Trabalho de
Graduação.
São José dos Campos, 20 de novembro de 1995.
__________________________________
JACKSON PAUL MATSUURA
Aluno
__________________________________
TAKASHI YONEYAMA
Orientador
__________________________________
MÁRCIO L. X. SANTOS
Chefe da Divisão de Ciência da Computação
2
AGRADECIMENTOS:
À DEUS, AO QUAL DEVO MINHA VIDA, MEUS DONS E TUDO O QUE
TENHO, O QUE FAÇO E O QUE SOU.
AOS MEUS PAIS, MINEO E
AYAKO, AOS QUAIS DEVO MINHA
EDUCAÇÃO E A FORMAÇÃO DE
MEU CARÁTER.
À
MINHA
ESPOSA,
MARLENE, POR SEU APOIO E
COMPREENSÃO
PRESENÇA
A
E
MEU
POR
LADO
SUA
EM
TODOS OS MOMENTOS.
À PASTORAL UNIVERSITÁRIA CATÓLICA DE SÃO JOSÉ DOS
CAMPOS, E EM PARTICULAR AO
PADRE FERNANDO JOSÉ CARNEIRO CARDOSO, POR AUXILIAR NA
MINHA
FORMAÇÃO
CRESCIMEN- TO ESPIRITUAL.
E
3
AO
MEU
ORIENTADOR,
TAKASHI
YONEYAMA,
E
À
MINHA
CONSELHEIRA, MARIA CRISTINA, POR SUA ATENÇÃO, DISPONIBILIDADE
E COMPREENSÃO.
E AO
MESTRE MARCELO
SANTIAGO AMARAL POR SERVIR
DE GUIA E MODELO NA CÉLEBRE
ARTE DO GAGÁ.
4
RESUMO
Desde o início da aviação os simuladores de vôo vem sendo
empregados no treinamento de pilotos e tripulações completas; toda sua
evolução baseou-se nesse objetivo, mas modernamente os simuladores de vôo
estão sendo utilizados também no projeto e avaliação de aeronaves e sistemas
embarcados com grande êxito. Os simuladores de vôo podem ser utilizados em
vários estágios desde a concepção até a fabricação e posteriores melhorias da
aeronave. Através de dois exemplos verificamos sua aplicabilidade e
importância como ferramenta de engenharia, que além de poupar tempo e
dinheiro, recursos tão escassos, ainda auxilia na investigação de acidentes
aéreos, na proposição de modificações na aeronave e na verificação de
desempenho e conformidade. Assim sendo é muito importante sua larga
disseminação e utilização no aprimoramento de nossa tecnologia aeroespacial.
OBJETIVO: APRESENTAR, ATRAVÉS DE UMA LINGUAGEM CLARA
E
DE
FÁCIL
ACESSO,
A
IMPORTÂNCIA
DA
UTILIZAÇÃO
DOS
5
SIMULADORES DE VÔO NO PROJETO E AVALIAÇÃO DE AERONAVES E
SISTEMAS EMBARCADOS.
CONTEÚDO
1.O que São Simuladores de Vôo.................................................................. 1
2.Histórico ...................................................................................................... 2
2.1.Necessidade.................................................................................. 2
2.2.Primeiros Simuladores .................................................................. 2
2.3. A Necessidade de uma Abordagem Sistemática ......................... 4
2.4. O Simulador Toma Forma ............................................................ 7
2.5. O Simulador Eletrônico................................................................. 10
2.6. O Simulador de Vôo Moderno ...................................................... 11
3.Utilização dos Simuladores de Vôo ............................................................ 15
3.1.Treinamento .................................................................................. 15
3.2.Entretenimento .............................................................................. 16
3.3.Engenharia .................................................................................... 17
4.Exemplos de Aplicações do Simulador em Engenharia.............................. 19
4.1. Sistema de Entrada de Dados...................................................... 19
4.2. Sistema de Compensação de Força ............................................ 21
5.Conclusões ................................................................................................. 24
6.Referências Bibliográficas........................................................................... 25
1
1.O que São Simuladores de Vôo
Uma característica comum aos simuladores é a tentativa de fornecer
uma imitação operacional da atividade real. Podemos ter vários níveis de
abstração e de envolvimento humano em uma simulação. Como o propósito
dos simuladores de vôo é simular o comportamento de uma aeronave eles
envolvem um baixo nível de abstração e um alto nível de envolvimento
humano.
A essência de um simulador de vôo é a criação de um modelo dinâmico
do comportamento de uma aeronave de modo a permitir que o usuário humano
interaja com o simulador como parte da simulação.
A forma da simulação envolve uma combinação de ciência, tecnologia e
arte para criar uma realidade artificial com o propósito de pesquisa, treinamento
ou diversão.
Um simulador de vôo é composto de um modelo, real ou teórico, um
dispositivo através do qual o modelo é implementado e de um regime de
aplicação, no qual o modelo e o dispositivo são combinados através de uma
técnica de utilização para atingir um objetivo particular.
2
2.Histórico
2.1.Necessidade
Após o primeiro vôo do mais pesado que o ar acorreram muitos
acidentes com os sucessores de Santos Dumont, cada um causado por uma
falha ou falta de habilidade específica dos pilotos. Surgiu então a necessidade
de proporcionar ao iniciante uma idéia clara do comportamento dos controles
de um aeroplano e das condições existentes em vôo sem nenhum risco
pessoal ou material.
2.2.Primeiros Simuladores
Muitos simuladores foram construídos com esse propósito e o
"Professor de Sanders" apresentado em 1910 foi o um dos primeiros a entrar
em campo. Ele era um aeroplano modificado montado sobre uma articulação
universal presa ao solo. Nele um estudante podia aprender os movimentos
necessários para controlar a aeronave e manter o equilíbrio em vôo. A idéia de
utilizar um aeroplano fixado ao solo para treinamento elementar foi patenteada
na Inglaterra por Billing em 1910. Na verdade sua máquina (Fig. 2.1) não era
um aeroplano adaptado mas uma máquina de propósito específico.
Obviamente esse tipo de simulador dependia do vento para provocar
turbulências. Alguns eram montados em eixos que permitiam que os
simuladores fossem redirecionados para ficarem contra o vento.
Figura 2.1. Um treinador do tipo Billing.
3
Uma variação desse princípio, que não dependia do vento, também foi
utilizada nos primeiros tempos do vôo. Um instrutor provocava os distúrbios
enquanto o aluno procurava manter o equilíbrio através dos controles
conectados por cabos e polias com a base. A "Máquina de Walters", também
de 1910, era desse tipo.
Uma evolução desse simulador foi
o "Barril de Aprendizado de
Antoinette" (Fig. 2.2), com uma segunda articulação universal ele resolveu o
problema do aluno ter que exercer uma força diretamente contrária à do
instrutor.
Figura 2.2. Treinador de Antoinette.
Durante a Primeira Guerra Mundial os simuladores de vôo não foram
muito utilizados para treinamento de pilotos; apenas a França utilizava-os de
maneira significativa, mas a necessidade de diminuir o desperdício de recursos
na Primeira Grande Guerra encorajou o crescimento dos simuladores de vôo
através dos testes de aptidão. Eram utilizados simuladores para medir o
desempenho do aprendiz em algumas tarefas que representavam habilidades
essenciais de pilotagem.
Os dois tipos de testes mais populares eram o de tempo de resposta e o
de coordenação. Em 1915 uma máquina para o primeiro teste foi proposta; ela
consistia de uma fuselagem com controles e um aparato elétrico onde a
resposta do aluno ao estímulo do treinador podia ser gravada. Entre outros
vários exemplos cabe citar apenas o de Reid e Burton, que era um aparato
4
controlado eletricamente montado em uma cabine e que podia gravar o tempo
levado para o aluno levar o indicador de atitude à sua posição central.
Erroneamente acreditava-se que tais simuladores abilitavam uma
pessoa a se orientar em vôo como em solo. Mais tarde descobriu-se que a
orientação depende largamente da visão. Um dos primeiros derivados dessa
teoria foi o "Orientador de Ruggles", que consistia de um assento montado em
um anel que permitia rotação total do aluno sobre os três eixos além de
movimento vertical. Todos os movimentos eram produzidos por motores
elétricos em resposta aos movimentos do estudante ou do instrutor. Esses
modelos foram úteis para acostumar os pilotos a posições em que eles podiam
se encontrar em combate aéreo e proporcionar um treinamento razoável para
vôos às cegas.
2.3. A Necessidade de uma Abordagem Sistemática
Do ponto de vista de engenharia uma boa simulação requer os
seguintes elementos:
- um modelo completo, preferecialmente expresso matematicamente,
das respostas da aeronave a todas as entradas: do piloto e do ambiente.
- uma maneira de resolver essas equações em tempo real, ou, em
outras palavras, de animar o modelo.
- uma maneira de apresentar as saídas dessa solução ao piloto através
de respostas mecânicas, visuais ou auditivas.
Nenhum deles ainda foi completamente resolvido, e não é possível se
dizer se ou quando serão solucionados.
`
Em 1920 havia-se adquirido conhecimento suficiente da mecânica do
vôo para produzir-se um modelo matemático aceitável (Bairstow), mas ainda
não era possível transformar esse modelo em uma simulação.
5
Os controles automáticos produzidos por Sperry e outros, baseavam-se
em entendimentos empíricos do comportamento de uma aeronave e testes
práticos ao invés de simulação. Entretanto a evolução da tecnologia de controle
automático provê a base para uma simulação melhor; todos os elementos,
sensores, atuadores e mecanismos de computação, são comuns para ambas
disciplinas. No trabalho de Sperry os mecanismos de computação podiam ser
construídos
e
ajustados
baseados
num
entendimento
prático
do
comportamento de sistemas; esta foi a metodologia nas primeiras tentativas de
simulação.
A intenção dos fabricantes de simuladores era reproduzir as sensações
de um aeroplano. Muitos não puderam alcançar tal objetivo por causa da
primária ou não existente simulação de movimentos. O modelo que chegou
mais perto foi o Treinador de Link (Fig. 2.3).
Figura 2.3. O Primeiro Treinador de Link
O treinador foi desenvolvido entre 1927 e 1929 e fazia uso de
mecanismos
pneumáticos.
Link
desempenho por tentativa e erro.
trabalhou
muito
tempo
ajustando
o
6
A primeira descrição do treinador não faz referência a instrumentos, o
simulador tinha como objetivo principal demonstrar aos estudantes o efeito dos
controles na atitude do aeroplano simulado e treiná-los em sua operação
coordenada. O efeito simulado dos aleirons, profundores e pedais eram
independentes, não representando as interações presentes em um aeroplano
real. Também por causa da ligação direta entre causa e efeito de controles e
atuadores, seu movimento servia apenas para indicar a atitude e não para
prover sinais do movimento correto.
Link havia conseguido um sentimento mais realista que seus
predecessores, mas ainda não parecia ter atingido as reais necessidades de
treinamento, como por exemplo o vôo instrumental. Esse requisito demandava
uma aproximação mais analítica para a simulação, e um modelo do
comportamento da aeronave deveria ser utilizado.
Todos os dispositivos de treinamento descritos até aqui utilizavam-se de
cabines móveis, sedo ela própria a única função do simulador. Sendo esse tipo
de movimento uma pista inútil do movimento real, um simulador provido de
instrumentos podia dispensá-lo. Isso de fato aconteceu em todos os
simuladores posteriores, (menos o de Link) até a era dos "full flight simulator"
(simuladores de missão completa).
A patente de Rougeri de 1928 decreve um treinador simples fixo no solo,
consistindo de uma cadeira para o estudante colocada na frente de um painel
de instrumentos e dois conjuntos de controles, um para o estudante e outro
para o instrutor. Os instrumentos do estudante eram conectados diretamente
aos controles do instrutor. O estudante podia voar o treinador em resposta aos
comandos do instrutor, que modificava as leituras dos instrumentos de acordo
com as ações do estudante. Uma versão mais automatizada desse esquema
pode ser observada na invenção de Johnson de 1931. Em sua versão mais
7
simplificada um indicador da velocidade do vento, um indicador de rolamento e
um indicador de guinada eram diretamente operados por cabos ligados às
alavancas e barras de leme do estudante e instrutor. Melhorias posteriores
incluiam um controle de propulsão que afetava o indicador de velocidade do
vento.
2.4. O Simulador Toma Forma
Os Treinadores de Link receberam instrumentos como equipamento
padrão.O treinamento de vôo às cegas começou no início dos anos 30 e
quando a importância desse tipo de treinamento foi totalmente comprovada,
notada pela US Army Air Corp, quando tinham a incumbência de transportar
correspondência, as vendas dos Treinadores de Link cresceu. O novo
Treinador de Link podia girar de 360 graus, o que permitiu a instalação de um
compasso magnético, enquanto os vários instrumentos eram operados
mecânica ou pneumaticamente.
A altitude, por exemplo, era representada pela pressão do ar em um
tanque diretamente conectado ao altímetro. Interação pedal/aleirom foi
adicionada nos treinadores mais avançados. O Treinador de Link era então
uma forma simples de um computador analógico. Mas a reprodução da
dinâmica de vôo ainda era desenvolvida de maneira empírica.
Uma melhoria posterior na utilidade desses treinadores foi atingida com
a adição de um traçador de curso, possibilitando ao instrutor monitorar o vôo
simulado de um estudante.
O Treinador de Link foi um grande sucesso durante os anos 30. Ele foi
produzido em várias versões e vendido para diversos países, entre eles Japão,
URSS, França e Alemanha. Em 1937 foi entregue o primeiro Treinador de Link
vendido a uma companhia aérea, a American Airlines. A RAF também recebeu
seu primeiro Link neste ano. No começo da Segunda Guerra Mundial, muitas
8
das maiores forças aéreas realizavam seu treinamento básico de instrumentos
em Links ou derivados. Os pilotos alemães dos esquadrões de bombardeiros
haviam tido 50 horas de vôo cego nos Treinadores de Link (Fig. 2.4).
Figura 2.4. Treinador de Link com cyclorama.
Logo surgiu a necessidade de treinar um grande número de recrutas em
muitas habilidades individuais e coletivas envolvidas na operação de cada tipo
de aeronave militar, com o número desses tipos crescendo. A instrução básica
de intrumentos era feita parcialmente nos Links, mas peculiaridades de certos
tipos de aeronaves faziam do treinamento na cabine real uma atividade
essencial. Utilizar uma montagem de uma fuzelagem real de um avião era uma
solução. O Treinador de Hawarden, por exemplo, era feito da parte central da
fuselagem de um Spitfire, o que possibilitava treinamento de procedimentos de
um vôo operacional completo.
Os Links também foram desenvolvidos até o estágio em que a
disposição e aparência dos instrumentos e o desempenho de aeronaves
específicas eram duplicados.
Em 1939 a Inglaterra pediu que Link desenvolvesse um treinador que
pudesse ser utilizado para melhorar as capacidades de navegação celestial de
9
suas tripulações, que voavam sobre o Atlântico. Além disso era esperado que
este simulador pudesse ser utilizado para melhorar a exatidão dos
bombardeios durante missões noturnas sobre a Europa.
O primeiro Treinador de Navegação Celestial foi completado em 1941 e
a RAF pediu sessenta desses, mas apenas um número limitado foi instalado.
Nos Estados Unidos centenas deles foram instalados e operados.
Um desenvolvimento mais recente foi a "fuselagem instrucional",
consistia da fuselagem do tipo requerido montada dentro de um hangar. Ela
podia ser usada para treinar tripulações para todas as ações que deveriam
executar no avião em que estavam sendo treinados. Todos sistemas,
hidráulico,
elétrico
e
pneumático
e
seus
instrumentos
trabalhavam
normalmente, deste modo todas as ações feitas pela tripulação eram realistas.
Lançamento de bombas e abandono de aeronave com para-quédas também
eram treinados: as bombas eram jogadas em caixas de areia embaixo da
aeronave.
Figura 2.5. Treinador de Silloth para uma aeronave Halifax
Um treinador desse tipo que obteve grande sucesso na RAF foi o
Treinador de Silloth (Fig.2.5). Esse treinador foi desenvolvido para todos os
membros da tripulação e era primariamente um treinador de familiarização de
10
tipo para o aprendizado das ações e contorno de mal funcionamentos. Toda a
computação era pneumática. A simulação foi desenvolvida empiricamente, mas
quando bem ajustada, dava respostas realistas.
2.5. O Simulador Eletrônico
O Treinador de Silloth demonstrou que as técnicas mecânicas e
pneumáticas haviam atingido o final de sua utilidade, pelo menos para
simulações detalhadas de aeronaves específicas. Métodos elétricos de
computação analógica eram conhecidos mas foram necessárias a urgência e a
troca de informações provocados pela Segunda Guerra Mundial para que o
desenvolvimento dessa técnica ocorresse.
O computador analógico, ou analisador diferencial como era conhecido,
possibilitou o cálculo das respostas de uma aeronave às forças aerodinâmicas,
em oposição à duplicação empírica de seus efeitos.
Em 1936 Mueller, no MIT, descreveu um computador analógico
eletrônico para simulação mais rápida que em tempo-real da dinâmica
longitudinal de um aeroplano. Seu interesse estava no projeto de aeronaves e
na solução das equações de movimento, mas ele chegou a mencionar a
possibilidade de mudar a escala de tempo e incluir um homem na simulação.
Em 1941 um simulador eletrônico que resolvia equações de movimento
de aeronaves foi projetado no Telecommunications Research Establishment
(TRE) na Inglaterra, famoso por seu trabalho com radares. Este simulador foi
desenvolvido para prover a unidade de vôo para o TRE aerial intercept (AI), um
treinador de radares para interceptação aérea (Fig 2.6).
O método de computação dc era utilizado na simulação da aerodinânica
simplificada de um avião de caça. Muitas dessa unidades foram utilizadas
durante a guerra. Além de usar métodos de computação eletrônica avançados,
os treinadores TRE AI são exemplos de treinadores de tripulação completa. Os
11
quatro estágios de interceptação aérea podiam ser praticados: seguir um curso
de interceptação dado por um operador em terra, aproximação utilizando o
radar de bordo, contato visual e o momento do disparo.
Figura 2.6. Uma unidade de vôo TRE.
.
Em 1943 os Laboratórios Bell completaram um simulador de vôo para o
avião PBM-3 da marinha. Este dispositivo consistia da parte da frente de uma
fuselagem e da cabine de um PBM, com controles completos, instrumentação e
equipamento auxiliar, junto com um computador eletrônico que resolvia as
equações de vôo.
Desenvolvimentos porteriores na simulação ac foram feitos e a
tecnologia eletrônica migrou das válvulas para os transistores, possibilitando
computadores analógicos menores e mais velozes.
2.6. O Simulador de Vôo Moderno
No começo dos anos 50 os fabricantes de aeronaves não tinham uma
boa quantidade de dados analíticos sobre o desempenho de seus aviões e
motores, os espaços em branco tinham que ser preenchidos pelos fabricantes
12
de simuladores por tentativa e erro e avaliações de pilotos. Esta situação
mudou com o aumento dos dados proveniente dos programas de teste de vôo.
Aliado aos requisitos de movimento e sistemas visuais e a melhoria da exatidão
e transferência de treinamento aumentos significantes no hardware dos
computadores analógicos se tornaram necessários.
Este período coincidiu com a introdução da segunda geração de
computadores digitais, essas máquinas tinham o potencial de resolver os
problemas de exatidão e realizabilidade a um custo que se tornou
suficientemento baixo para ser utilizado na maioria das aplicações. Como
consequência disso houve uma migração completa da tecnologia analógica
para a digital, com os computadores analógicos sendo utilizados somente nos
simuladores mais simples e nas partes da simulação onde desempenho bom o
suficiente só seria atingido digitalmente a um custo muito elevado.
O projeto UDOFT (Universal Digital Operational Fight Trainer) foi iniciado
em 1950. Este computador foi fabricado pela Sylvania Corporation e
completado em 1960. O UDOFT demonstrou a realizabilidade da simulação
digital e era principalmente relacionado com a solução das equações de
movimento de uma aeronave.
No começo dos anos 60 Link desenvolveu um computador digital de
propósito específico, o Link Mark I, projetado para simulação em tempo-real.
Esta máquina tinha três processadores paralelos para aritmética, geração de
funções e seleção de estação de rádio.
Ao final dos anos 60 computadores digitais de uso geral projetados
primariamente para aplicações de controle de processos mostraram-se
adequados para a simulação graças a seus requisitos de grande quantidade de
entradas e saídas em tempo real e o uso de máquinas de propósitos
específicos caiu. Atualmente os computadores de uso específico são usados
13
somente em aplicações que exigem um processanento muito rápido, como
simulação de radar e geração de imagem.
Os simuladores de vôo produzidos até o meio dos anos 50 não eram
dotados de movimento. Achava-se que poderiam ser feitos melhoramentos no
sistema de movimento dos simuladores por tentativa e erro. Propostas de
simuladores de movimento foram feitas por vários fabricantes, mas apenas no
fim dos anos 50 as linhas aéreas decidiram comprá-los.
Em 1958, Rediffusion produziu um sistema de movimento de arfagem
para o simulador do Comet IV (Fig. 2.7). Sistemas mais complexos foram
desenvolvidos para serem capazes de produzir aceleração em até seis graus
de liberdade.
Figura 2.7. Simulador do Comet IV dotado de movimento.
Vários sistemas para produzir cenas do visual externo foram propostos e
produzidos durante toda a história dos simuladores de vôo, entretanto os
sistemas visuais realistas e flexíveis são desenvolvimentos bem recentes.
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O primeiro sistema visual que obteve uma grande disseminação nos
simuladores de aviação civil era baseado num modelo em escala observado
através de um sistema de televisão.
O primeiro sistema gerador de imagem computadorizado para simulação
foi produzido pela General Electric Company para o programa espacial norteamericano. O progresso nessa tecnologia foi rápido devido ao fato de seu
desempenho estar fortemente ligado aos avanços da tecnologia em
microeletrônica. O primeiro sistema gerador de imagem computadorizado
economicamente utilizável para simuladores comerciais foi produzido pela
McDonnell-Douglas Electronics Corporation em 1971.
O simulador de vôo atingiu sua forma moderna provavelmente no final
dos anos 60.
15
3.Utilização dos Simuladores de Vôo
3.1.Treinamento
Os simuladores de vôo são largamente empregados para treinamento
de pilotos e tripulações inteiras; suas principais vantagens são:
- A redução do custo de formação e treinamento de pessoal, o preço de
aquisição de um simulador de vôo varia de 30 a 65% do preço da aeronave e o
custo de operação gira em torno de 8% do custo de operação da aeronave
real.
- A redução do tempo de formação e treinamento de pessoal, o
treinamento pode ser centrado em uma manobra ou procedimento específico,
não tendo que se repetir todo o vôo.
- Segurança, no simulador situações potencialmente perigosas podem
ser experimentadas sem risco de vida ou de perda de equipamento. Antes da
adoção dos simuladores para esse tipo de treinamento, em certos casos mais
acidentes aconteciam durante os treinamentos de emergências do que em
suas ocorrências reais. Um desses casos foi o da prática de pilotagem
assimétrica após a falha simulada de um dos motores, o que resultou na perda
da aeronave.
Uma solução alternativa é o custoso desenvolvimento de uma versão
com dois assentos da aeronave, que provavelmente terá algumas diferenças
de comportamento.
- Oportunidade, para um treinamento em vôo é preciso que a aeronave e
o espaço aéreo estejam disponíveis, além de ser necessária a colaboração das
condições atmosféricas. Além disso nenhum inimigo potencial permite que um
adversário pratique missões de ataque.
Ecologia: os simuladores de vôo reduzem os custos operacionais e a
produção de poluição atmosférica e sonora, reduzindo distúrbios ambientais e
poupando preciosas fontes de combustível.
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Podemos dividir os simuladores de treinamento em quatro níveis:
Simulador para treinamento de procedimentos de cabine: baixa
fidelidade, baixo custo, realidade limitada, base fixa e capacidade limitada de
computação. É usado para treinamento de procedimentos normais, de
emergência e instrução técnica da aeronave. Apresenta poucos instrumentos
que funcionam.
Simulador para treinamento de instrumento: fidelidade moderada,
normalmente utiliza um microcomputador, não tem sistema de imagem e
permite que o tripulante exercite suas habilidades motoras.
Simulador de transição: apresenta fidelidade limitada, capacidade de
reproduzir o pouso, sistema de imagem, capacidade de fidelidade perceptual.
Utilizado normalmente para treinamento de instrumento.
Simulador de missão completa: é o mais completo de todos os
simuladores, apresenta alta fidelidade e reprodução quase exata do ambiente
de vôo. Engloba alta capacidade de computação, sensações e imagem.
3.2.Entretenimento
Com o avanço da eletrônica e da computação começaram a surgir os
primeiros simuladores de vôo para entretenimento, no começo eram dotados
apenas de manche ou stick e de uma tela, mas atualmente encontramos
simuladores de vôo com liberdade total de movimentos nos três eixos, controle
de propulsão, radar, ECM, ILS e muitas outras características de uma
aeronave real. A grande diferença entre os simuladores de treinamento e os de
entretenimento é a fidelidade do modelamento, enquanto os de treinamento
precisam se aproximar ao máximo do avião real, os de entretenimento
precisam dar apenas uma idéia dos movimentos reais da aeronave, por esse
motivo as equações matemáticas utilizadas nos simuladores de entretenimento
17
são muito simplificadas e permitem que a simulação possa ser executada em
tempo-real em plataformas não muito poderosas.
3.3.Engenharia
Podemos dividir a aplicação dos simuladores de vôo na engenharia em
quatro fases: concepção, projeto, ensaio e produção.
Na fase de concepção a ênfase do simulador no projeto de uma
aeronave está no desempenho e na operacionalidade. Verifica-se se todo o
benefício
potencial
de
um
novo
projeto
ser
totalmente
explorado
operacionalmente, quando outros fatores estão envolvidos, se ocorrerão
mudanças no desempenho de outras funções da aeronave, se serão
necessárias melhorias nos sistemas e se novos problemas surgirão em função
desse novo projeto.
Do mesmo modo os simuladores de vôo podem ser utilizados para medir
quantitativamente os benefícios de uma melhoria em um aeroplano ou do
desempenho de armas em combate. Esses resultados podem ser comparados
com os provenientes de uma melhoria no sistema de aviônica. Mudanças na
disposição da cabine podem ser exploradas. Até mesmo questões básicas
como se um novo avião de combate terá um ou dois lugares pode ser
investigada através de simulação.
Na fase de projeto, modelos computacionais da aeronave e dos
sistemas são requeridos. Apenas na década de "80" a capacidade
computacional e velocidade tornaram viáveis os modelos de tempo-real de um
simulador completo. À medida que novos dados emergem dos testes em túnel
de vento e dos especialistas em controle de vôo, mudanças rápidas no modelo
devem ser possíveis, apontando para o uso de um bom sistema operacional,
com
facilidades
implementadas.
para
verificar
se
as
mudanças
desejadas
foram
18
Ao final dessa fase começam a ser utilizadas partes da aeronave na
simulação.
Na fase de ensaio do protótipo dá-se especial atenção às avaliações das
capacidades operacionais versus requisitos. Produz-se o aprimoramento das
capacidades aerodinâmicas e estruturais, o desenvolvimento do software
utilizado na aeronave e a integração e o aprimoramento dos sistemas.
O simulador é também utilizado para verificar se a aeronave está em
condições de ser homologada.
Durante a fase de produção o simulador é usado para desenvolvimento
e aprimoração do software, integração e desenvolvimento de novos sistemas,
desenvolvimento de táticas e treinamento.
Além disso, durante toda a vida da aeronave ocorrerão
atualizações de procedimentos e definições de novos desenvolvimentos e será
necessária a análise de situações perigosas ou acidentes que tenham ocorrido
ou possam ocorrer no emprego operacional da aeronave.
19
4.Exemplos de Aplicações do Simulador em Engenharia
4.1. Sistema de Entrada de Dados
Um caso típico é a comparação de três métodos de entrada de dados
em um computador embarcado, durante o vôo, devido a uma mudança no
plano de vôo. O computador de navegação deve ser informado das posições
revisadas dos pontos de checagem para permitir o cálculo de informações
como tempo a ser gasto até os pontos de checagem e o consumo de
combustível. Normalmente o string de números que representa os pontos de
checagem é entrado via teclado.
Esta investigação compara os méritos de dois métodos alternativos: uma
tela sensível ao toque (touch-sensitive display) e uma entrada direta de voz. A
necessidade da inserção rápida e sem erros de dados é particularmente
importante para aeronaves de ataque que voam a baixas altitudes, pois como
voam a alta velocidade e rentes ao solo, sob condições de operação exigem
consideravelmente as habilidades do piloto.
Neste exemplo, o desempenho foi medido de três formas: medindo a
variação da altitude durante a antrada de dados, medindo o tempo levado para
entrar o string e o tempo que o piloto gasta olhando para a cabine durante a
entrada de dados.
Oito pilotos em operação nos esquadrões da RAF (Royal Air Force)
foram usados neste teste. Cada piloto voou quatro missões com cada um dos
três sistemas. A ordem em que os sistemas foram utilizados foi aleatória para
eliminar o efeito de aprendizagem. As latitudes e longitudes utilizadas foram
escolhidas de modo a randomizar o conteúdo e a ordem dos dígitos. Cada
piloto recebeu treinamento suficiente para se familiarizar com cada dispositivo.
Simulações experimentais não foram feitas até que o reconhecedor de voz
tivesse sido re-treinado para entender cada piloto em particular.
20
O desempenho dos pilotos na variação de altura pode ser visto na Fig.
4.1. Nota-se que a variação para a entrada direta de voz é bem menor do que
para os dois sistemas manuais, ilustrando a não necessidade do piloto olhar
para dentro da cabine ao invés de olhar para a tela acoplada no capacete e
para fora. Esse resultado é confirmado pela Fig. 4.2. cujos dados foram
coletados a partir de gravações de câmeras que seguiam os olhos dos pilotos.
Figura 4.1. Comparação entre variações de altura.
Figura 4.2. Comparação entre tempos gastos olhando para dentro da cabine.
21
Por outro lado o tempo gasto para entrar os dados utilizando a entrada
direta de voz é muito maior do que o gasto com os dois outros sistemas (Fig.
4.3). Este resultado deve-se mais à inabilidade do sistema reconhecer os
comandos do piloto do que a do piloto falar mais rápido. E também ao fato do
piloto ter que conferir cada comando dado na tela ao invés de entrar todo o
string de uma vez devido à entrada via voz não ser 100% confiável.
Figura 4.3. Comparação entre tempos totais gastos para a entrada de dados.
Apesar de não termos um sistema vencedor essa comparação serviu
para mostrar claramente as vantagens e disvantagens de cada um e
possivelmente direcionar melhos pesquisas futuras e melhorias nesses três
sistemas.
4.2. Sistema de Compensação de Força
A aeronave em questão era dotada de atuadores hidráulicos para os
aleirons, deixando o piloto da aeronave sem noção da força que estaria sendo
a eles aplicada.
Nas aeronaves sem esse tipo de aparato ocorre uma diferença de
esforço proporcional ao quadrado da velocidade da aeronave, em vôos a baixa
velocidade o piloto pode causar uma grande deflexão com um pequeno
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esforço, já em alta velocidade, devido à grande pressão exercida sobre os
aleirons pela massa de ar em deslocamento o esforço é bem maior.
Para compensar essa falta de sentimento da aeronave e levando-se em
consideração que normalmente a altas velocidades as deflexões dadas são
pequenas e a baixas velocidades grandes decidiu-se utilizar um sistema de
molas para dar ao piloto este sentimento.
Figura 4.4. Curvas características de dois sistemas de molas disponíveis.
Figura 4.5. Curvas medidas no simulador.
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O sistema tinha como característica uma razão força/deflexão grande
para pequenas deflexões e pequena para altas deflexões, como mostra a Fig
4.4.
Utilizando-se as características da mola 1 simulou-se o comportamento
da aeronave e o piloto preferiu que o esforço para pequenas deflexões fosse
menor, o que acarretou uma mudança para a mola 2, que o piloto achou mais
adequada. A Fig. 4.5 ilustra as curvas de "esforço x deflexão" medidas no
simulador.
A Fig. 4.6 mostra a mesma curva medida no avião em solo, parado.
Mais uma vez o simulador de vôo demonstra sua utilidade, auxiliando na
escolha do melhor sistema sem grandes custos de prototipação.
Figura 4.6. Curva medida na aeronave.
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5.Conclusões
Os simuladores de vôo desempenham um papel fundamental no
treinamento, aperfeiçoamento e manutenção das habilidades de pilotos e
tripulações, mas também desempenham um papel muito importante na
concepção e no projeto de novas aeronaves e na avaliação de novos sistemas
aeronáuticos.
Através do seu uso no projeto de uma aeronave muito tempo e
investimento podem ser poupados ou utilizados mais adequadamente. É
importante que sua utilidade e aplicabilidade sejam conhecidos e difundidos
pelos profissionais da área, a fim de minimizar custos com o desenvolvimento e
a avaliação de novos sistemas e aeronaves.
Para chegarmos a ser um país de primeiro mundo é preciso primeiro
agir como um país de primeiro mundo, é preciso utilizarmos todos os recursos
e ferramentas disponíveis para o desenvolvimento do país, cada setor deve
fazer o melhor possível, cada setor deve utilizar seus recursos da maneira mais
inteligente possível e os simuladores de engenharia auxiliam os engenheiros e
projetistas de aeronaves e sistemas embarcados a fazerem isso.
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6.Referências Bibliográficas
Rolfe, J. M. e Staples, K. J., "Flight simulation", Cambridge University
Press, Inglaterra, 1986.